Materialuntersuchungen zur Sicherung der Lebensdauer
Elektrisch beheizter Industrieofen im Kanthal Stahlwerk im schwedischen Hallstahammar. (Bildquelle: Kanthal)
Die Umstellung der thermischen Prozesse und Anlagentechnik energieintensiver Industrien auf CO2-reduzierte Technologien ist mit Herausforderungen verbunden, denen sich Hersteller und Betreiber von Thermoprozessanlagen aktuell stellen müssen. Eine Elektrifizierung der Wärmeprozesse von Industrieöfen könnte dazu beitragen, die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern zu reduzieren und gleichzeitig die CO2-Emissionen aus Verbrennungsprozessen zu senken. Jedoch entstehen sowohl beim Einsatz von regenerativem Strom zur Elektrifizierung von Prozessen als auch beim hybriden Betrieb von Industrieöfen mit Strom und Wasserstoff neue Fragen etwa zur Beanspruchung der im Ofenbau eingesetzten Materialien. Antworten wollen das Dechema Forschungsinstitut und die OWI Science for Fuels gGmbH im aktuellen Forschungsprojekt „MatELHeat“ erarbeiten.
Das Projekt befasst sich mit Materialfragen im Zusammenhang mit der Verwendung metallischer Heizdrahtwerkstoffe in der Widerstandsheizung von Industrieöfen. Dabei werden sowohl herkömmliche als auch innovative Werkstoffkonzepte untersucht und entwickelt. Die Lebensdauer von Heizelementen sinkt mit steigender Heizleitertemperatur. Zum Beispiel führt im Temperaturbereich von 1.100 °C bis 1.300 °C in trockener Luft eine Erhöhung der Heizleitertemperatur von 50 °C zu einer Verringerung der relativen Lebensdauer von etwa 50 %. Aus unterschiedlichen Gründen werden für Ofenraumtemperaturen von bis zu 1.200 °C metallische Heizelemente bevorzugt. Bei hoher Temperatur sind in der Regel Oxidations- oder Korrosionsprozesse ursächlich für den Ausfall von Heizleitern.
Alterung und Lebensdauer der Materialien auf dem Prüfstand
Im Projekt soll die Korrosion und Alterung der Materialien für Widerstandsheizelemente mit geeigneten Korrosionstests geprüft werden. Dafür wird ein Versuchsstand geplant und konstruiert und ein weiterer angepasst. Im hybriden Betrieb von Thermoprozessanlagen mit Strom und Wasserstoff bei hohen Temperaturen beziehungsweise Leistungen im Bereich von 1 MWel bis 10 MWel können sich Atmosphären im Ofenraum entwickeln, deren Einfluss auf die Alterung der Materialien noch nicht bekannt ist. Daher stehen bei den Versuchen Alterungs- und Lebensdauerbetrachtungen im Vordergrund.
Die Projektergebnisse dienen zur Entwicklung von Modellen, die die Wärmeübertragung, die Lebensdauer und die Degradation (Leistungsminderung) beschreiben. Die Modelle werden industriellen Anwendern bereitgestellt, damit sie Betriebsabläufe optimieren und anpassen können, um die Effizienz zu erhöhen. Die Eignung von herkömmlichen und innovativen metallischen Legierungen für Heizleiter zur hybriden Widerstandsbeheizung wird im Ofenlabor unter Versuchsbedingungen geprüft, die denen im Betrieb von Industrieöfen mit Strom und Wasserstoff nahekommen. Dies ermöglicht es dem industriellen Anwender, die Energiequellen so auszuwählen, dass er die Beheizung flexibel an die Verfügbarkeit und die Kosten der Energieträger anpassen kann.
MatELHeat ist eines von drei Teilprojekten, deren Forschungsergebnisse zur Entwicklung eines Leitfadens zur optimierten Auslegung von Widerstandsheizelementen in Thermoprozessanlagen diesen sollen. Während MatELHeat verbesserte Materialauslegung anstrebt, haben „HighPowerHeat“ die Erhöhung der Leistungseintrags und „OptiELHeat“ die Optimierung der Wärmeübertragung zum Ziel.
Das IGF-Vorhaben 68 LN der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. – FKM, Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Die OWI Science for Fuels gGmbH ist eine unabhängige und gemeinnützige Forschungseinrichtung. In Zusammenarbeit mit Partnern aus Industrie und Forschung forscht und entwickelt OWI Konzepte und Technologien auf den Gebieten der energieeffizienten Nutzung flüssiger konventioneller und alternativer Brenn- und Kraftstoffe sowie innovativer Effizienztechnologien. Das Ziel sind technisch ausgereifte, treibhausgas- und emissionsarme Lösungen für die Wärmeerzeugung und Mobilität von Morgen. OWI ist ein An-Institut der RWTH Aachen und versteht sich als Mittler zwischen Grundlagenforschung und Anwendung. Im Rahmen des Technologietransfers bearbeitet OWI sowohl aus öffentlichen Fördermitteln finanzierte Projekte als auch industrielle Forschungsaufträge. Zu den Kunden gehören beispielsweise Hersteller von Haushaltsheizungen, Unternehmen der Automobilzulieferindustrie, der Mineralölwirtschaft und der Thermoprozesstechnik.
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